多晶硅化学气相沉积反应的三维数值模拟

建立了多晶硅化学气相沉积反应的三维模型,同时考虑质量、能量和动量传递,利用CFD软件对炉内的流动、传热和化学反应过程进行了数值模拟,并分析了硅沉积速率、SiHC13转化率、硅产率以及单位能耗随H2摩尔分数的变化规律.结果表明:计算结果与文献数据吻合较好;随着硅棒高度的增加,硅沉积速率不断增大;最佳的进气H2摩尔分数范围为0.8 ～0.85.     

基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计

改良西门子法是多晶硅生产的主要方法,而多晶硅还原炉是多晶硅制备的主要设备。针对传统多晶硅还原炉的流场、温度场和辐射场不均匀导致生产的多晶硅尺寸不规则的问题,本文对还原炉的炉顶封头结构、出气口位置布局和硅棒底盘布局进行优化设计。利用Fluent软件Do辐射模块对多晶硅还原炉进行气-固辐射仿真分析,对比优化前后的流场、温度场和辐射场的云图、流线图等,结果表明：上出气口排气设计能够有效提高炉内气体流动速度,减少炉内气体回流,增加气体流动均匀性,有效解决炉内顶部产生的温度死区,平衡炉内上下温度差;椭圆形顶部封头优化了还原炉整体空间,降低设计成本,有效抑制圆形封头中气体旋涡的产生,增加炉内气体流动均匀性;采用平行圆周对称式硅棒增加整体辐射量,优化了传统还原炉中外圈硅棒与中心硅棒辐射不均匀现象,有效防止了不规则硅棒的产生,提高了多晶硅的产量,为多晶硅还原炉的结构设计提供一个新的方案。     

西门子CVD还原炉辐射换热数值模拟

本文考虑包括热辐射在内的质量传递、动量传递、能量传递三维模型,利用流体力学计算软件,对12对棒西门子多晶硅CVD还原炉硅沉积过程的传热情况进行数值模拟.应用传热模型计算了实际还原过程的总能耗,并与实际生产运行测量值进行比较,相对误差为7.1;,表明传热模型准确可靠.基于DO离散坐标辐射模型,详细分析了硅棒与反应器壁间的辐射换热情况,探讨了硅棒生长过程中内、外环硅棒辐射能的变化趋势以及不同器壁发射率对还原炉内辐射能的影响.结果表明:辐射换热是硅沉积过程最主要的热量传递形式;外环硅棒的辐射能远大于内环硅棒的辐射能,并且外环硅棒的辐射能随硅棒直径的增大而增大;硅棒辐射能随着反应器壁材料发射率的增大而增大,并采用典型工况数据,计算了不同反应器壁材料发射率条件下的产品单位质量理论能耗.     

硅烷热分解生产多晶硅的三维模拟

本文建立了硅烷和氢气体系中气体动量、热量和质量同时传递,并且耦合硅烷热分解反应的多晶硅气相沉积模型,选择适宜的物理模型和边界条件通过流体力学软件Fluent 6.3.26进行数值模拟.之后模拟了进气组成、反应温度、反应压力及进口速度等因素对沉积特性的影响,得到结论:当进气组成、反应温度和反应压力增大时,硅的沉积速率增大、单位能耗降低;当进气速度增大时,硅的沉积速率和单位能耗均呈增大趋势;在进口区域硅沉积速率随着硅棒延伸增大,在离进口较远的区域,硅沉积速率随着硅棒延伸而减小.     

西门子反应器中硅棒热电行为数值模拟与分析

改良西门子法制备多晶硅过程中,化学气相沉积所需能量全部由电流加热硅棒提供.本文考虑多晶硅还原炉中辐射和对流热量传递形式,耦合频率控制的焦耳电加热方程,建立了12对棒多晶硅还原炉热场-电磁场耦合模型,并通过工业数据验证了其模拟结果的合理性.分析了硅棒半径、交流电频率以及反应器壁发射率对西门子还原炉内、外硅棒内部温度及电流密度分布的影响.结果表明:当硅棒半径增长到所用交流电频率引起的趋肤深度时,交流电趋肤效应开始显著影响硅棒内部温度梯度;交流电频率的增大,硅棒内部温度梯度逐渐减小;反应器壁发射率增加,低频时硅棒内部温差增大,而高频时发射率对硅棒内部温度分布影响不再显著.     

基于PolySim电子级多晶硅还原炉三维数值模拟

利用PolySim软件建立了国内电子级多晶硅9对棒现役还原炉的三维模型,对还原炉内部的流动、传热进行了数值模拟,得到还原炉内部流场、温场以及硅棒表面温度的分布情况,指出硅棒桥接附近气体流速较小、气体温度及硅棒表面温度过高是该区域沉积不均匀的主要原因.和实际生产结果对比表明,模拟计算数据的误差不超过5;.     

西门子CVD还原炉内硅棒生长环境的数值模拟

考虑包括热辐射在内的质量传递、动量传递、热量传递三维模型,利用流体力学计算软件,对18对棒西门子多晶硅CVD还原炉实际情况进行数值模拟.考察了两种进气方式下还原炉内的流场和温度场分布.计算结果表明,为了实现硅棒均匀沉积,与底盘上分散进气、中心集中出气的还原炉结构相比,中心集中进气、中环与外环之间分散出气的流场及温度场分布更为合理.后者可能有效避免气体在进出口间的“短路”现象,又使炉内各处温度分布更为均匀,减小硅棒不均匀生长现象.模拟结果还表明,采用典型工况的数据,还原炉中总能量损失占能量输入的78.9;,辐射热损失占总能量损失的70.9;,产品单位质量能耗为72.8 kWh/·kg-1,与很多其他研究结果及实际相一致.     

西门子反应器中硅棒的热传递模型

考虑西门子反应器中对流、辐射以及化学反应热三种热传递形式,建立了硅棒的二维轴对称热传递模型.相比于对流和化学反应热,辐射是最主要的传热方式.基于此模型分析了12对棒西门子反应器中硅棒辐射位置和反应器壁发射率对硅棒内部径向温度分布以及电流密度分布的影响.结果表明:直流电加热时,硅棒内部径向方向上形成了明显的温度梯度,且外环硅棒内部温度梯度要大于内环硅棒温度梯度;降低反应器壁发射率,外环硅棒温度梯度减小,电流密度分布更为均匀.     

Cu单晶的生长与温场研究

Cu单晶在中子单色器、激光核聚变和音频信号传输等方面有着广泛的应用前景.根据对Cu晶体的差热分析结果,设计并制作了硅钼棒加热单晶生长炉,获得了适合Cu单晶体生长的温场.采用改进的垂直布里奇曼法成功生长出外观完整、表面光滑、尺寸为15 mm×35 mm的Cu单晶体.对生长的晶体进行切割、抛光腐蚀后,采用金相显微镜和X射线衍射分析,结果表明:研究设计的温场适合Cu单晶体的生长,生长出的晶体结晶性好、结构完整.     

流态化多晶硅化学气相沉积过程的数值模拟

利用基于欧拉-欧拉两相流模型,建立硅烷热分解的均相和非均相反应模型,模拟了二维流态化的多晶硅化学气相沉积过程,以及硅烷、硅烯和硅沉积速率在反应器中的分布规律.模拟结果表明多晶硅的沉积主要发生在流化床中的密相区及气泡的周围,浓度相对较小的硅烯非均相反应对多晶硅沉积的贡献约为硅烷的10;.分析了硅烷入口浓度和反应温度对硅沉积速率及转化率的影响,模拟的硅沉积速率与文献中的实验数据做了比较.